全同步數(shù)字頻率計的 VHDL設(shè)計與仿真

1 引 言

頻率測量不僅在工程應(yīng)用中有非常重要的意義，而且在高精度定時系統(tǒng)中也處于核心地位，±1個計數(shù)誤差通常是限制頻率測量精度進 一步提高的重要原因。由于測頻技術(shù)的重要性，使測頻方法也有了很大的發(fā)展，常用數(shù)字頻率測量方法有M法，T法，和M／T(等精度測量法)法。M法，T法， 和M／T法都存在±1個計數(shù)誤差問題：M法存在被測閘門內(nèi)±1個被測信號的脈沖個數(shù)誤差，T法或M／T法也存在±1個字的計時誤差，這個問題成為限制測量 精度提高的一個重要的原因。全同步頻率測量法[1]，從根本上消除了限制測量精度提高的±1個計數(shù)誤差問題，從而使頻率測量的精度和性能大為改善。

基于對FPGA器件和EDA技術(shù)以及全同步測頻方法的研究[2，3]，介紹一種利用FPGA實現(xiàn)DC～100 MHz全同步數(shù)字頻率計的實現(xiàn)方法，并給出VHDL實現(xiàn)代碼和仿真波形。整個系統(tǒng)在研制的FPGA／CPID實驗開發(fā)系統(tǒng)上調(diào)試通過。本設(shè)計采用了高集成度的現(xiàn)場可編程門陣列(Field Program-mable Gata Array，F(xiàn)PGA)Flex EPF10k20TCl44-4芯片[4]，通過軟件編程對目標(biāo)器件的結(jié)構(gòu)和工作方式進行重構(gòu)，能隨時對設(shè)計進行調(diào)整，使得本設(shè)計具有集成度高、結(jié)構(gòu)靈活、開發(fā)周期短、可靠性高的優(yōu)點。

在文獻[2，5]中所描述的等精度頻率測量方法中，其測頻原理如圖1所示。



其 誤差與閘門時間和標(biāo)準(zhǔn)時鐘頻率有關(guān)，閘門時間越長，標(biāo)準(zhǔn)時鐘頻率越高，誤差越小。因此，用等精度測頻法時所取的標(biāo)準(zhǔn)時鐘頻率比較高(10 MHz以上)，因此±1計數(shù)誤差相對很小。標(biāo)準(zhǔn)時鐘頻率不可能無限制提高，并且隨著頻率提高，產(chǎn)品成本成倍增加，對于生產(chǎn)應(yīng)用沒有意義。因此本設(shè)計用改進 的等精度頻率測量方法--全同步測量來實現(xiàn)數(shù)字頻率計的設(shè)計。在全同步的情況下，閘門信號不僅與被測信號同步，還與標(biāo)準(zhǔn)時鐘同步。其原理圖如圖2所示。

2 全同步測頻原理簡述
由文獻[1，6]可知：設(shè)開啟閘門時脈沖同步時間差為△t1，關(guān)閉閘門時脈沖同步時間差為△t2，脈沖同步檢測最大誤差為△t，則有：△t1≤△t，△t2≤△t。頻率測量的相
對誤差如式(2)所示：

由式(1)可知，誤差只與脈沖檢測電路準(zhǔn)確度有關(guān)，顯然，控制△t來提高頻率測量精度是有效的，而且實現(xiàn)走來比提高標(biāo)準(zhǔn)時鐘頻率更容易。




在以上分析的基礎(chǔ)上，本設(shè)計采用FPGA來實現(xiàn)全同步數(shù)字頻率計。其系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。由圖3可知，設(shè)計的絕大部分由FPGA完成，只有脈沖同步檢測電路由74LS系列與非門來實現(xiàn)，以及顯示部分由數(shù)碼管構(gòu)成。


3 全同步數(shù)字頻率計模塊設(shè)計
由系統(tǒng)原理框圖3，則其FPGA內(nèi)部模塊電路設(shè)計原理如圖4所示。



設(shè) 計原理圖主要由以下幾部分組成：脈沖同步檢測電路、2個計數(shù)器、2個鎖存器、控制器、乘法器、除法器、澤碼電路等組成。工作原理如下：被測頻率與標(biāo)準(zhǔn)時鐘 分別送給脈沖同步檢測電路與2個計數(shù)器，當(dāng)脈沖同步檢測電路檢測到被測頻率與標(biāo)準(zhǔn)時鐘相位同步時，脈沖同步檢測電路發(fā)出同步信號，2個計數(shù)器開始計數(shù)，當(dāng) 脈沖同步檢測電路再次檢測到間步信號時，義發(fā)出同步信號，計數(shù)器停止計數(shù)。同時計數(shù)器的計數(shù)值鎖存到鎖存器，時序乘法器從鎖存器中取得被測頻率的計數(shù)值與 標(biāo)準(zhǔn)時鐘頻率進行乘法運算，然后再將乘法器運算所得的值與標(biāo)準(zhǔn)時鐘的計數(shù)值送給除法器，乘法器的結(jié)果為被除數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)時鐘的計數(shù)值為除數(shù)，運算所得結(jié)果就是 被測信號的頻率，然后冉經(jīng)過二卜進制轉(zhuǎn)換變成BCD碼，送給數(shù)碼管顯示。本設(shè)計采用10 MHz的標(biāo)準(zhǔn)時鐘，由于乘法器輸入是27位二進制，相當(dāng)于9位10進制數(shù)，而10 MHz的標(biāo)準(zhǔn)時鐘為107Hz，因此用被測頻率的計數(shù)值乘以108可得到一位小數(shù)點。
3．1 脈沖同步檢測電路

脈沖同步檢測電路 沒計原理圖如圖5所示。U1～U8為74LS系列與非門，同步檢測電路利用門電路的延時來構(gòu)成。當(dāng)被測信號及標(biāo)準(zhǔn)時鐘都處在低電平時，U1，U2輸出為高 電平，U3，U4的輸出為高電平，U5，U6輸出為低電平，則U8輸出為低電平。當(dāng)被測信號(Fx)及標(biāo)準(zhǔn)時鐘的上升沿同時到來時，由于門電路具有延時特 性，因此U1，U2并不馬上變?yōu)榈碗娖?，而是要?jīng)過一個延時才變?yōu)榈碗娖?。于是U3，U4的輸入端都是高電平，則U3，U4
輸出為低電平，U5，U6的輸出為高電平，則U8輸出為高電平。但是當(dāng)且儀當(dāng)Fx與CLK的上升沿在在延時時間內(nèi)同時到達時U8才會輸出高電平。74LS系列與非門的延時最小為4 ns，最大為15 ns，因此最大誤差為11ns。根據(jù)公式(2)得：



當(dāng)T0為1 s時，其精度可達到10－7，如再減小相位誤差，則可提高頻率計的精確度。